Una breve aplicación de dispositivos de filtrado activo en sistemas de distribución de energía en la industria de tratamiento de agua.

Abstracto:En el sistema de suministro y distribución de energía de la industria de tratamiento de agua, intervienen equipos de carga como ventiladores, bombas elevadoras y equipos de deshidratación de lodos. Esto provoca que el motor asíncrono genere mayor potencia reactiva y una gran cantidad de armónicos, lo que reduce el factor de potencia del sistema. Estos armónicos causan graves daños a los sistemas de distribución de energía y a las cargas. En este sentido, la industria de tratamiento de agua debe prestar mayor atención a la calidad de la energía y utilizar dispositivos de filtrado activo para filtrar los armónicos, ahorrando así energía y reduciendo el consumo.

Palabras clave:Sistema de suministro y distribución de energía en la industria de tratamiento de agua; armónicos; calidad de la energía.

1. Principales características de la calidad de la energía en la industria de tratamiento de agua:

1.1 La industria de tratamiento de agua se ha desarrollado de manera constante y la construcción de plantas ha aumentado constantemente año tras año;

1.2 Las cargas como motores y bombas de agua funcionan durante mucho tiempo, el factor de potencia es alto y la compensación de potencia reactiva es relativamente estable;

1.3 La principal fuente de armónicos es el convertidor de frecuencia, y el contenido armónico es grande, por lo que es necesario configurar un equipo de filtrado activo para el control de armónicos.

2. Principales equipos en la industria de tratamiento de agua

Los principales equipos de alta potencia en las plantas de tratamiento de aguas residuales de la industria del agua incluyen ventiladores de aireación, bombas de elevación, equipos de deshidratación de lodos y equipos de secado completos, así como grandes sistemas de aire acondicionado, convertidores de frecuencia y equipos de ventilación. Los mecanismos de conversión de frecuencia y los componentes de control de estos dispositivos son cargas no lineales típicas. Los armónicos generados fluyen hacia el sistema de distribución eléctrica y contaminan la red eléctrica. No solo tienen un impacto potencial en los equipos de compensación de potencia reactiva, sino que también afectan el funcionamiento normal de diversos equipos eléctricos, reduciendo la eficiencia del sistema y aumentando los costos de energía.

2.1 Ventilador de aireación

La función principal del ventilador de aireación para tratamiento de aguas residuales es oxigenar la piscina. Se utiliza principalmente en el desarenador. El ventilador se conecta a la tubería, la cual a su vez se conecta a la placa de aireación en el fondo del tanque de aireación. El ventilador impulsa el gas que ingresa al tanque de aireación para proporcionar suficiente oxígeno para la actividad microbiana y promover las reacciones químicas. Cuando el ventilador está encendido, el factor de potencia es de 0,8 y la tasa de distorsión armónica total es cercana al 30 %.

2.2 Bomba de elevación

La bomba de elevación es un producto que integra bomba, motor, carcasa y sistema de control. Su función principal es elevar las aguas residuales a una altura determinada y hacer que fluyan por gravedad. Puede controlar el volumen de agua y, por lo tanto, la concentración de aguas residuales en el tanque de reacción. El factor de potencia de la bomba de elevación es de 0,75 y la tasa de distorsión armónica es de aproximadamente el 30 % al 40 %.

2.3 Deshidratación de lodos

Los métodos de deshidratación incluyen principalmente el secado natural, la deshidratación mecánica y la granulación. El secado natural y la deshidratación mecánica son adecuados para lodos de depuradora. El método de granulación es adecuado para la coagulación y sedimentación de lodos. Los equipos de deshidratación de lodos producen principalmente armónicos 5.º y 7.º. El factor de potencia de los equipos de deshidratación de lodos es de 0,8 y la tasa de distorsión armónica es cercana al 20 %.

2.4 Convertidor de frecuencia

La función principal del convertidor de frecuencia es cambiar la frecuencia y la amplitud de la fuente de alimentación del motor de CA, modificando así el período de su campo magnético móvil para lograr un control suave de la velocidad del motor. El uso de la función de arranque suave del convertidor de frecuencia hará que la corriente de arranque comience desde cero hasta el valor máximo. No excede la corriente nominal, lo que reduce el impacto en la red eléctrica y los requisitos de capacidad de la fuente de alimentación, y extiende la vida útil de los equipos y las válvulas. Los inversores de gran capacidad deben utilizarse con reactores de línea de entrada para prevenir eficazmente las perturbaciones y el impacto de los componentes de potencia y evitar conflictos con los filtros activos que amplifican los armónicos. El factor de potencia del inversor es de 0,9 y la tasa de distorsión armónica total es de aproximadamente el 30 % al 50 %.

3. Casos y soluciones de calidad de energía en la industria del tratamiento de agua

3.1 Fenómenos de accidentes

Hay un transformador de 2000 kVA en una planta de tratamiento de aguas residuales de Hunan. Hay dos armarios de compensación de condensadores en el lado de baja tensión del transformador. La capacidad de compensación es de 1000 kVar. Los armarios están equipados con contactores de conmutación, y ambos se conmutan automáticamente. Durante la inspección, el personal de servicio detectó que un conjunto de condensadores y reactores se quemó en el armario de compensación de condensadores de la sala de distribución de baja tensión. Durante la inspección in situ, se detectaron otros condensadores y reactores que no sufrieron daños y que se pusieron en funcionamiento. Las temperaturas oscilan entre 80 y 100 °C, y el ruido y la temperatura del transformador aumentan significativamente.

3.2 Análisis de causas de daños en gabinetes de capacitores

1) Problemas de calidad en componentes como la capacitancia y la reactancia. El interior del condensador está relleno de un pegamento negro de baja calidad, que se expande y abomba fácilmente al sobrecalentarse. El exterior es de hierro, ideal para ciudades costeras o zonas con alta concentración de sal y niebla. El reactor tiene un núcleo de aluminio, y la interfaz se oxida y explota a altas temperaturas.

2) Problemas de fijación de los conectores eléctricos durante la construcción e instalación en obra. Si la interfaz está suelta, el punto de conexión se calentará localmente.

3) Problema de correspondencia de parámetros de capacitancia y reactancia. La reactancia en serie no coincide. Por ejemplo, si se utiliza un condensador con una reactancia del 7 % para 480 V y una reactancia con una reactancia del 14 % para 525 V, la discrepancia entre capacitancia y reactancia provocará resonancia.

4) Factores ambientales. A medida que la temperatura y la humedad del entorno de la obra varían, los parámetros de la reactancia capacitiva cambian, lo que genera el problema de la desviación de la reactancia en serie. Se produce resonancia en serie entre los condensadores y los reactantes, lo que aumenta la corriente y provoca un calentamiento importante.

5). El problema de resonancia paralela entre el gabinete del condensador y la carga, provocado por la tensión armónica, provoca un aumento de la tensión del bus, lo que provoca daños en el condensador, la protección contra sobretensiones o daños en el equipo de carga.

3.3 Soluciones

El punto de prueba es la salida principal del transformador. Según los resultados de las mediciones de calidad de la energía de la planta de tratamiento de aguas residuales, la salida principal del transformador contiene los armónicos 5.º, 7.º, 11.º y 13.º. La corriente armónica total alcanza los 200 A y la tasa de distorsión armónica alcanza los 200 A (27,6 %). La inspección in situ de los condensadores, reactancias y otros dispositivos reveló que estaban en buen estado y que las tasas de reactancia coincidían. Se analizó la causa como un incendio en las líneas y equipos causado por una corriente armónica excesiva. Finalmente, por sugerencia de nuestra empresa, se instaló un filtro activo de 300 A en la salida del transformador.

En la actualidad, la tasa de distorsión armónica en el sitio se mantiene estable por debajo del 10 % y el gabinete del condensador funciona de manera estable durante mucho tiempo.

El filtro activo APF adopta el modo de control totalmente digital DSP+FPGA y se conecta en paralelo al sistema para compensar armónicos y potencia reactiva. Puede compensar completamente los armónicos del 2.º al 51.º o armónicos específicos; cuenta con protección de sobrecorriente de puente completo, protección contra sobretensión de CC y protección contra sobretemperatura del dispositivo; cuenta con detección y operación automáticas, monitorización de mediciones y ajuste de valores fijos; cuenta con disipación de calor inteligente y regulación de velocidad continua; cuenta con expansión dinámica, admite conexión y desconexión, y es fácil de reemplazar.